HiPIMS占空比对TiZrN/TiN纳米多层膜结构和性能的影响

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作者 魏永强 张晓晓 +5 位作者 张华森 顾艳阳 刘畅 吕怿东 韦春贝 钟素娟 《中国有色金属学报》 北大核心 2025年第10期3566-3580,共15页

本文采用电弧离子镀(Arc ion plating,AIP)和高功率脉冲磁控溅射(High power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)复合方法,通过调控HiPIMS占空比在M2高速钢基体和单晶硅片上沉积TiZrN/TiN纳米多层膜,探究HiPIMS占空比对TiZrN/TiN纳... 本文采用电弧离子镀(Arc ion plating,AIP)和高功率脉冲磁控溅射(High power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)复合方法,通过调控HiPIMS占空比在M2高速钢基体和单晶硅片上沉积TiZrN/TiN纳米多层膜,探究HiPIMS占空比对TiZrN/TiN纳米多层膜微观结构和性能的影响规律。结果表明:随着HiPIMS占空比的增加,TiZrN/TiN纳米多层膜表面大颗粒数量呈先减少后增加趋势,同时薄膜厚度呈先减小后增大趋势。随着HiPIMS占空比从2%增加10%,TiZrN/TiN纳米多层膜择优取向从(111)晶面转变为(220)晶面,膜基结合力等级均为HF1级,硬度均在33 GPa以上,稳定摩擦因数在0.79左右。当HiPIMS占空比为2%时,TiZrN/TiN纳米多层膜的磨损率达到最小,为1.73×10^(-8) mm^(3)/(N·mm),薄膜的耐磨损性能最好。当HiPIMS占空比为6%时,TiZrN/TiN纳米多层膜的硬度和弹性模量分别增加到43.73GPa和362.98 GPa,自腐蚀电位可达到-0.39 V(vs SCE),自腐蚀电流密度为0.731μA/cm^(2),薄膜耐腐蚀性能最强,腐蚀速率较低。综合对比可知,HiPIMS占空比为6%,是TiZrN/TiN纳米多层膜制备的最佳工艺参数。 展开更多

关键词 电弧离子镀 高功率脉冲磁控溅射技术 hipims占空比 耐磨性 耐腐蚀性

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HiPIMS溅射AlCrN涂层结构对抗铝黏着性能的影响

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作者 秦亚东 高方圆 +1 位作者 许亿 夏原 《中国表面工程》 北大核心 2025年第1期216-227,共12页

一体化压铸模具在汽车产业轻量化和节能环保政策的背景下应时而生,在服役过程中受到高温、高速铝液冷热交替作用,传统的表面处理技术不能满足如此苛刻的服役条件,采用Hi PIMS技术制备Al Cr N涂层是提升一体化压铸模具表面抗铝黏着性能... 一体化压铸模具在汽车产业轻量化和节能环保政策的背景下应时而生,在服役过程中受到高温、高速铝液冷热交替作用,传统的表面处理技术不能满足如此苛刻的服役条件,采用Hi PIMS技术制备Al Cr N涂层是提升一体化压铸模具表面抗铝黏着性能的重要措施之一。基于等离子体发射光谱(OES),采用高能脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术在不同的N_(2)/Ar流量比下制备具有致密结构的高性能AlCrN涂层。利用数字示波器、高压探针、电流探针和等离子体发射监测器开展Hi PIMS放电特征和时间平均的OES光谱研究,采用X射线衍射仪和扫描电镜分析涂层的晶相结构、晶粒尺寸及表面截面形貌,采用纳米压痕仪测试薄膜的纳米硬度和弹性模量。设计进行抗铝黏着测试来观测涂层在铝液中的行为。结果表明,随着N_(2)/Ar流量比的增加,Hi PIMS下的峰值电流随之升高,峰值功率密度也随之升高;沉积速率先增大后降低;涂层的晶粒尺寸和微观结构也会出现明显变化;成膜环境出现大量的离子态,CrⅡ、AlⅡ、NⅡ的强度明显提升,且CrⅡ/CrⅠ强度上升,说明离化率也会随之上升;涂层结构随着N_(2)/Ar流量的变化主要呈现三种状态:非晶结构、hcp-AlN与fcc-AlCrN混合相、单一fcc-AlCrN相,实验中涂层氮含量始终保持较高水平且随着N_(2)/Ar流量比整体呈上升趋势,并最终在fcc-AlCrN结构中接近化学计量组成;在最高的N_(2)/Ar流量下制备出择优取向为(220)的fcc-AlCrN相涂层,具有最高的硬度和弹性模量,同时有着最高的H/E与H^(3)/E^(2)比值。在抗铝黏着测试中此结构也表现出无铝黏附的良好特性,且涂层相结构和成分均无明显变化,fcc-AlCrN结构在铝液中的稳定性是表现优异出抗铝黏着性能的关键。通过改变N_(2)/Ar流量比制备出高性能AlCrN涂层,给出提升一体化压铸模具表面抗铝黏着性能的可能性。 展开更多

关键词 hipims AlCrN涂层 氮氩流量比 光学发射光谱 铝液腐蚀

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HiPIMS制备Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层对DLC薄膜结构及性能的影响

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作者 滑利强 苏峰华 +1 位作者 李吉 林松盛 《表面技术》 北大核心 2025年第1期62-73,共12页

目的探究高功率脉冲磁控溅射功率制备Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层对DLC薄膜性能的影响,以制备具有优良结合强度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能的DLC薄膜。方法利用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)和直流磁控溅射(DCMS)在304不锈钢和YG6硬质合金... 目的探究高功率脉冲磁控溅射功率制备Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层对DLC薄膜性能的影响,以制备具有优良结合强度、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能的DLC薄膜。方法利用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)和直流磁控溅射(DCMS)在304不锈钢和YG6硬质合金表面制备具有Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层的DLC薄膜,研究不同HiPIMS电源功率下制备的Cr/Cr_(x)C_(y)过渡层对DLC薄膜的结构和性能的影响。采用SEM、AFM对薄膜的表面、截面形貌进行观察。利用UMT-Tribolab摩擦磨损划痕实验机测试薄膜的膜基结合强度和摩擦磨损性能,利用光学显微镜观察划痕,并测算结合力,分析磨损机制。利用电化学工作站对制备的DLC薄膜进行耐腐蚀试验。结果随着HiPIMS电源功率的提升,Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层的厚度随之增加,最厚为200 nm,薄膜的表面粗糙度随之下降,由对照组S1的4.69 nm降至S5的1.15 nm。薄膜的纳米硬度出现逐渐升高的现象,由S1的18.76 GPa升至S5的23.77 GPa。薄膜的膜基结合力表现出先减小后增大的趋势,S5组样品的膜基结合力最大,为22.19 N。薄膜的摩擦因数随着HiPIMS功率的升高而降低,最低为S5组的0.0322,对应薄膜的磨损率为4.2×10^(−7)mm^(3)/(N·m)。电化学试验结果表明,当HiPIMS电源功率为2.4 kW时,所制备的DLC薄膜具有最低的腐蚀电流密度和最高的界面电荷转移电阻,其耐腐蚀性能最优。结论利用高功率脉冲磁控溅射技术制备DLC薄膜的Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层可以有效提高薄膜的表面质量,提高薄膜的膜基结合力,降低薄膜的残余应力,同时降低薄膜的摩擦因数,提高薄膜的耐磨性。采用HiPIMS制备的Cr/Cr_(x)C_(y)梯度过渡层DLC薄膜具有较低的腐蚀电流密度和较高的界面电荷转移电阻,其耐腐蚀性能得到提升。 展开更多

关键词 hipims DLC薄膜 摩擦学性能 过渡层 耐磨性 耐腐蚀性能

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氧等离子体处理对HiPIMS制备Cr涂层耐蚀性能的影响 被引量：1

4

作者 张美琪 董宇峰 +6 位作者 程勇 谭诗瑶 王丽 王应泉 柯培玲 王振玉 汪爱英 《中国表面工程》 CSCD 北大核心 2024年第6期236-246,共11页

金属Cr涂层因抗氧化、耐腐蚀、抗磨损、色泽明亮等,在严苛环境防护和功能装饰领域应用广泛。但物理气相沉积(PVD)技术沉积的Cr涂层多以贯穿性柱状晶生长,耐腐蚀性能差,是科学界与产业界共同关注的难点挑战。与现有异质多层结构优化不同... 金属Cr涂层因抗氧化、耐腐蚀、抗磨损、色泽明亮等,在严苛环境防护和功能装饰领域应用广泛。但物理气相沉积(PVD)技术沉积的Cr涂层多以贯穿性柱状晶生长,耐腐蚀性能差,是科学界与产业界共同关注的难点挑战。与现有异质多层结构优化不同,采用高离化高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)同步脉冲偏压技术,在316不锈钢基体表面沉积Cr涂层,通过不同周期氧等离子体处理改性,于涂层内形成Cr/Cr(O)多层结构,并进行研究。利用扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)等方法,表征涂层的相结构、表面粗糙度、表面/截面形貌、元素分布及化学键。利用Gamry电化学工作站和恒温盐雾腐蚀测试,研究涂层耐蚀性能。结果表明,氧等离子体处理不改变Cr涂层的体心立方结构,但能够打断涂层柱状晶贯穿生长,使涂层表面更加光滑;经过两次等离子体处理的Cr涂层表面粗糙度约为未处理涂层的1/4,腐蚀电流密度较未处理涂层降低了一个数量级,72 h盐雾腐蚀后未探测到基体腐蚀粒子。该方法为解决PVD技术制备高性能耐腐蚀Cr涂层提供了新思路。 展开更多

关键词 Cr涂层 高功率脉冲磁控溅射(hipims) 盐雾腐蚀 电化学腐蚀

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HiPIMS室温溅射晶态氧化铝薄膜的粒子能量调控 被引量：2

5

作者 高方圆 许亿 +2 位作者 李国栋 李光 夏原 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期246-253,共8页

晶态氧化铝薄膜与非晶态相比,具有更加优良的力学性能和宽波段光学透过性能。基于等离子体发射光谱(OES)反馈控制方法(PEM),引入高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,实现了室温条件下晶态γ-Al_(2)O_(3)薄膜的快速制备。采用高压探针、电流... 晶态氧化铝薄膜与非晶态相比,具有更加优良的力学性能和宽波段光学透过性能。基于等离子体发射光谱(OES)反馈控制方法(PEM),引入高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,实现了室温条件下晶态γ-Al_(2)O_(3)薄膜的快速制备。采用高压探针、电流探针传感器和数字示波器监测HiPIMS的放电特性,采用等离子体发射监测器进行时间平均的OES研究,采用X射线衍射仪和扫描电镜分析薄膜的晶相结构、晶粒尺寸及断面形貌,采用纳米压痕仪测试薄膜的纳米硬度和模量。结果表明,HiPIMS条件下的成膜环境出现大量的离子态,主要包括AlⅡ、ArⅡ甚至高价态粒子OⅣ参与反应。随着溅射电压由650V增加至800 V,晶粒逐渐细化,由18 nm减小到8 nm,同时沉积速率从27 nm/min增加到55 nm/min。基体偏压对薄膜的沉积速率,微结构以及力学性能等方面均有显著的影响。随着基体偏压的增加,γ-Al_(2)O_(3)的择优取向由(422)转变为(311),薄膜在偏压U_(s)=-100 V条件下获得了最高硬度19.3 GPa。通过对成膜粒子能量的设计与调控,进一步优化了薄膜的结构和性能,为功能薄膜氧化铝的大规模产业化奠定良好的应用基础。 展开更多

关键词 hipims 氧化铝薄膜 室温 晶化诱导 能量调控

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HiPIMS制备TiB_(2)、TiBN涂层及其等离子体性质 被引量：2

6

作者 吴正涛 叶榕礼 +1 位作者 李海庆 王启民 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期228-235,共8页

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)沉积制备TiB_(x)时,涂层化学计量比x随HiPIMS脉冲宽度的减小而降低。采用原位等离子体质谱仪研究TiB_(x)涂层的沉积等离子体性质,采用弹性反冲探测分析技术测量涂层元素组成,采用X射线衍射分析涂层相结构,采... 高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)沉积制备TiB_(x)时,涂层化学计量比x随HiPIMS脉冲宽度的减小而降低。采用原位等离子体质谱仪研究TiB_(x)涂层的沉积等离子体性质,采用弹性反冲探测分析技术测量涂层元素组成,采用X射线衍射分析涂层相结构,采用X射线光电子能谱研究涂层键价结构,通过纳米压痕仪测试涂层力学性能。结果表明,减小HiPIMS脉冲宽度后出现气体稀释效应,加之Ti的一次离化能低于B,即Ti优先B发生离化,导致Ti^(+)/B^(+)离子束流比增大,从而降低TiB_(x)涂层化学计量比x,揭示了TiB_(x)涂层化学计量比演变机制。此外,在短HiPIMS脉冲宽度溅射TiB_(2)靶材条件下,引入N_(2)气体,当N_(2)流量为10 mL/min、HiPIMS脉冲宽度为30μs时,成功制备出具有纳米晶TiN、TiB_(2)复合结构特征的新型TiBN涂层,此TiBN涂层硬度及弹性模量分别为37.5 GPa、300 GPa,为具有优异力学性能纳米复合涂层的设计制备提供实验和理论指导。 展开更多

关键词 hipims TiBN 纳米复合 等离子体 离化能

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HiPIMS的放电特性及其对薄膜结构和性能的调控 被引量：1

7

作者 李坤 高岗 +5 位作者 杨磊 夏菲 孙春强 滕祥青 张宇民 朱嘉琦 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期42-55,共14页

磁控溅射过程中的等离子体密度和离化率这些等离子体微观放电特性强烈影响着沉积薄膜的微观结构和性能,高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)凭借其较高的溅射粒子离化率的优势引起了广泛的研究和关注。为了探究HiPIMS的高离化率的产生原因... 磁控溅射过程中的等离子体密度和离化率这些等离子体微观放电特性强烈影响着沉积薄膜的微观结构和性能,高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)凭借其较高的溅射粒子离化率的优势引起了广泛的研究和关注。为了探究HiPIMS的高离化率的产生原因和过程,掌握高功率脉冲磁控溅射技术对薄膜微观结构和性能的调控规律,从一般的磁控溅射技术原理出发,分析HiPIMS高离化率的由来及其与DC磁控溅射相比的技术优势,着重总结HiPIMS的宏观放电特点和微观等离子体特性;总结梳理近几年HiPIMS在硬质膜和透明导电薄膜领域的应用研究,明晰HiPIMS对薄膜微观晶体结构的影响及其对薄膜的力学、光电性能等的调控规律及其优势。HiPIMS独特的等离子体-靶相互作用,可以有效改善薄膜结晶特性,实现对光电性能的可控调控。 展开更多

关键词 磁控溅射 高功率脉冲磁控溅射技术(hipims) 离化率 硬质膜 透明导电薄膜

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HiPIMS沉积光电薄膜研究进展:放电特性和参数调控

8

作者 张海宝 刘洋 陈强 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期93-104,共12页

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术具有离化率高、等离子体密度高、沉积温度低、薄膜结构致密等优点,与沉积超硬耐磨涂层相比,HiPIMS技术在光电薄膜沉积中的应用相对较少,且HiPIMS镀膜过程中涉及工艺参数较多,工艺参数的选择直接影响着沉... 高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术具有离化率高、等离子体密度高、沉积温度低、薄膜结构致密等优点,与沉积超硬耐磨涂层相比,HiPIMS技术在光电薄膜沉积中的应用相对较少,且HiPIMS镀膜过程中涉及工艺参数较多,工艺参数的选择直接影响着沉积薄膜的结构和性能。基于这两个问题,系统梳理HiPIMS在光电薄膜沉积中放电的时空演变特性,重点介绍HiPIMS技术在光电薄膜沉积过程中的关键工艺参数,包括峰值功率密度、衬底材料、掺杂、偏置电压等,对薄膜结构和性能的影响规律,最后展望HiPIMS技术在光电薄膜沉积中的应用前景与发展趋势。 展开更多

关键词 高功率脉冲磁控溅射(hipims) 光电薄膜 等离子体 放电特性 参数调控

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HiPIMS电源的设计基础及研究进展

9

作者 巩春志 吴厚朴 +1 位作者 胡天时 田修波 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期1-9,共9页

作为高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术的核心组成部分,HiPIMS电源在很大程度上决定着HiPIMS技术的研究进展和应用潜能。关于HiPIMS电源的研究整体上可以分为三个部分,分别是AC-DC功率变换器的研究、DC-DC功率变换器的研究以及HiPIMS功率... 作为高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术的核心组成部分,HiPIMS电源在很大程度上决定着HiPIMS技术的研究进展和应用潜能。关于HiPIMS电源的研究整体上可以分为三个部分,分别是AC-DC功率变换器的研究、DC-DC功率变换器的研究以及HiPIMS功率负载的研究。其中,功率变换器是HiPIMS电源的直流供电端,技术特征依赖于脉冲电源共性技术,而功率负载部分则与HiPIMS放电模式相互影响。在综述脉冲电源的核心技术高动态响应、低输入电流纹波、高电压增益、高性能功率校正因数等研究现状的基础上,进一步总结基于HiPIMS放电特性的脉冲功率负载设计的研究现状,并展望HiPIMS电源亟待解决的关键问题,最终得出大功率HiPIMS电源需要从电力电子技术和等离子体物理技术两方面同步开展研究,指出基于真空等离子体物理特性的复合脉冲放电技术,将成为HiPIMS电源技术跳跃发展的必由之路。通过HiPIMS电源的设计基础及研究进展,为HiPIMS电源的进一步发展提供一定参考。 展开更多

关键词 hipims电源 功率变换器 功率负载

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HiPIMS占空比对Al合金表面Ti/DLC涂层力学和摩擦性能的影响 被引量：12

10

作者 魏晨阳 白琴 +4 位作者 郭鹏 柯培玲 王振玉 李昊 汪爱英 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期77-88,共12页

类金刚石涂层(DLC)兼具高硬度、耐摩擦磨损和高化学惰性等优点,是理想的Al合金零部件耐磨防护材料之一。然而受限于Al合金与DLC间力学性能差异大,摩擦工况下承受复杂的耦合载荷作用,易导致涂层剥落失效。通过改变高功率脉冲磁控溅射技术... 类金刚石涂层(DLC)兼具高硬度、耐摩擦磨损和高化学惰性等优点,是理想的Al合金零部件耐磨防护材料之一。然而受限于Al合金与DLC间力学性能差异大,摩擦工况下承受复杂的耦合载荷作用,易导致涂层剥落失效。通过改变高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)的电源占空比(2%~10%),设计具有不同结构的Ti过渡层,系统研究Al合金基体上不同过渡层界面结构对DLC力学及摩擦性能的影响。结果表明,随HiPIMS占空比增加,所有Ti过渡层取向从(100)向(002)转变。相比直流磁控溅射Ti过渡层,HiPiMS技术可以降低晶粒尺寸以及提高Ti层致密性,令Ti过渡层具备更强的承载能力,涂层摩擦寿命提升了约4.5倍。沉积具有低(100)择优取向和致密结构的Ti过渡层是实现Al合金表面高性能Ti/DLC涂层的关键,对解决Al合金零部件表面硬质涂层易剥落失效等问题提供了新思路。 展开更多

关键词 AL合金 Ti/DLC涂层 hipims 择优取向 致密性 摩擦磨损行为

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HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究 被引量：3

11

作者 贵宾华 周晖 +3 位作者 郑军 杨拉毛草 张延帅 汪科良 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期199-208,共10页

目的实现性能优异的CrN薄膜在低温沉积条件下的可控制备。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),通过调控脉冲放电波形(可调控脉冲放电模式-MPP、双极脉冲放电模式-BPH)制备了系列低温沉积工艺下的CrN薄膜。选用X射线衍射仪(XRD)、... 目的实现性能优异的CrN薄膜在低温沉积条件下的可控制备。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),通过调控脉冲放电波形(可调控脉冲放电模式-MPP、双极脉冲放电模式-BPH)制备了系列低温沉积工艺下的CrN薄膜。选用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米硬度测试仪及球盘摩擦试验仪表征了Cr N薄膜的组织结构、微观形貌、摩擦学性能。结果相对于传统的直流磁控溅射技术(DCMS),Hi PIMS具备高溅射材料离化率,偏压作用下产生的荷能离子对成膜表面的持续轰击作用,有效提升了低温沉积条件下成膜粒子的表面迁移能,显著抑制了贯穿柱状晶的连续生长,达到了细化晶粒,改善薄膜致密性的目的。BPH模式下沉积的薄膜表面光滑致密,表面粗糙度可达4.6 nm。细晶强化作用及薄膜致密性提升使得BPH模式下制备的Cr N薄膜硬度最高,可达(15.6±0.8)GPa。此外,BPH模式下沉积的CrN薄膜具备最为优异的摩擦学性能,摩擦系数低(~0.3)且运行平稳,并且在高速及重载作用下,仍能表现出优异的摩擦磨损性能。结论HiPIMS技术中的双极脉冲放电模式可显著提升沉积粒子表面迁移能,提升Cr N薄膜沉积反应动力学过程,实现低温条件下性能优异的Cr N薄膜的可控制备。 展开更多

关键词 hipims 磁控溅射 可调控脉冲放电模式 双极脉冲放电模式 基体偏压 沉积温度 组织结构

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HiPIMS复合热处理制备高纯Ti_(2)AlC MAX相涂层 被引量：2

12

作者 周定伟 李忠昌 +4 位作者 王振玉 马冠水 柯培玲 胡晓君 汪爱英 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期236-245,共10页

Ti_(2)AlC MAX相涂层是一类兼具金属和陶瓷特性的具有密排六方结构的高性能陶瓷涂层,在电接触、高温防护、宽温域摩擦等领域具有广阔的应用前景。然而MAX相涂层的成相成分窗口窄,性能受杂质相影响大,实现高纯、致密Ti_(2)AlC MAX相涂层... Ti_(2)AlC MAX相涂层是一类兼具金属和陶瓷特性的具有密排六方结构的高性能陶瓷涂层,在电接触、高温防护、宽温域摩擦等领域具有广阔的应用前景。然而MAX相涂层的成相成分窗口窄,性能受杂质相影响大,实现高纯、致密Ti_(2)AlC MAX相涂层的制备目前仍存在挑战。考虑沉积气压与溅射等离子体能量密切相关,采用高功率脉冲复合直流磁控溅射技术在钛合金基体上制备了TiAl/Ti-Al-C涂层,经后续热处理退火得到高纯Ti_(2)AlC MAX相涂层,重点研究不同沉积气压对涂层退火前后的成分、微观结构以及力学性能的影响和作用机制。结果表明,随着气压不断增大,沉积态涂层厚度先增加后减少。其中低沉积气压下沉积态涂层退火后,结构中除了Ti_(2)AlC MAX相外,还含有一定量杂质相;而在高气压下沉积态涂层退火后几乎全部转变为Ti_(2)AlC MAX相,呈现高纯、表面光滑致密的MAX相涂层特征。相较于沉积态涂层,退火后的涂层硬度变化不大,但由于生成了Ti_(2)AlC MAX相,涂层弹性模量有所提高。 展开更多

关键词 高功率脉冲磁控溅射技术(hipims) MAX相 Ti_(2)AlC 热处理 力学性能

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高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)过程特征的物理解析 被引量：1

13

作者 霍纯青 谢世杰 +2 位作者 宋润伟 季英希 陈强 《真空科学与技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期330-346,共17页

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)作为一种新的物理气相沉积技术,得到学术界和工业界的广泛关注。HiPIMS中靶峰值能量密度高而平均能量密度低,从而避免了传统磁控溅射中靶过热所导致的靶材融化等问题。独特的放电特性使得HiPIMS具有高等离子... 高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)作为一种新的物理气相沉积技术,得到学术界和工业界的广泛关注。HiPIMS中靶峰值能量密度高而平均能量密度低,从而避免了传统磁控溅射中靶过热所导致的靶材融化等问题。独特的放电特性使得HiPIMS具有高等离子体密度和电离率,为控制沉积粒子能量和输运模式提供了可能性,可以实现高质量薄膜的制备。本文综述了HiPIMS系统的电源特性(与脉冲发生相关)、放电参数(脉宽、放电电压、电流、频率等)和放电空间(分为阴极靶和鞘层区、电离区域、体等离子体区、以及阳极等离子体和衬底区)中所涉及放电特征的物理本质及其解析,这将有助于加强对HiPIMS技术物理机制的深入理解,推进该技术在实际工业中的应用。 展开更多

关键词 高功率脉冲磁控溅射(hipims) 放电特性 等离子体参数 放电空间 物理机制

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脉冲频率对HiPIMS制备TiN薄膜组织和力学性能的影响 被引量：3

14

作者 高海洋 张斌 +2 位作者 魏殿忠 但敏 金凡亚 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期192-199,共8页

为探究脉冲频率对通过高功率脉冲磁控溅射制备TiN薄膜组织力学性能的影响,选用Ti靶和N2气体,采用反应磁控溅射技术通过改变高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)电源脉冲频率在Si(100)晶片上制备不同种TiN薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电... 为探究脉冲频率对通过高功率脉冲磁控溅射制备TiN薄膜组织力学性能的影响,选用Ti靶和N2气体,采用反应磁控溅射技术通过改变高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)电源脉冲频率在Si(100)晶片上制备不同种TiN薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪和扫描电子显微镜(SEM)对所制薄膜晶体结构和成分、表面和断面形貌进行分析,利用纳米压痕仪对薄膜的硬度和弹性模量进行表征,并计算H/E和H^(3)/E^(2)。结果表明,高离化率Ti离子轰击促使薄膜以低应变能的晶面优先生长,所制TiN薄膜具有(111)晶面择优取向。薄膜平均晶粒尺寸均在10.3 nm以下,随着脉冲频率增大晶粒尺寸增大,结晶度和沉积速率降低,柱状生长明显,致密度下降,影响薄膜力学性能。在9 kHz时,TiN薄膜的晶粒尺寸可达8.9 nm,薄膜组织致密具有最高硬度为30 GPa,弹性模量374 GPa,弹性恢复为62.9%,具有最优的力学性能。 展开更多

关键词 高功率脉冲磁控溅射(hipims) 脉冲频率 TIN薄膜 微观组织 力学性能

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HiPIMS频率对弧辉复合沉积TiZrN/TiN纳米多层膜微观结构和性能的影响

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作者 魏永强 张晓晓 +5 位作者 张华森 顾艳阳 杨佳乐 蒋志强 韦春贝 钟素娟 《中国表面工程》 2025年第5期312-325,共14页

随着先进制造业的快速发展,单元单层氮化物涂层刀具很难满足苛刻工况条件下的高性能要求,通过设计多层结构,可以提高基体材料的硬度、耐摩擦磨损和耐腐蚀等综合性能,提高关键零部件的使用寿命。采用电弧离子镀(Arc ion plating,AIP)和... 随着先进制造业的快速发展,单元单层氮化物涂层刀具很难满足苛刻工况条件下的高性能要求,通过设计多层结构,可以提高基体材料的硬度、耐摩擦磨损和耐腐蚀等综合性能,提高关键零部件的使用寿命。采用电弧离子镀(Arc ion plating,AIP)和高功率脉冲磁控溅射(High power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)复合技术,通过调控Hi PIMS频率在M2高速钢基体和单晶Si片上沉积TiZrN/TiN纳米多层膜,探究HiPIMS频率对TiZrN/TiN纳米多层膜微观结构和性能的影响规律。研究发现,HiPIMS频率的增加有助于改善TiZrN/TiN纳米多层薄膜表面质量,降低薄膜表面大颗粒数量,TiZrN/TiN纳米多层薄膜厚度呈先增大后减小趋势。不同HiPIMS频率下制备的TiZrN/TiN纳米多层薄膜均以(220)晶面为择优取向,平均晶粒尺寸为4.01~5.31 nm,膜基结合力等级均为HF1级,硬度均在30 GPa以上,稳定摩擦因数在0.79左右。在HiPIMS频率为600 Hz时,平均晶粒尺寸降低到最小4.01 nm。当HiPIMS频率为800 Hz时,硬度达到最大46.28 GPa,磨损率最小,为1.46×10^(-8)mm^(3)·N^(-1)·mm^(-1),此时薄膜的耐磨损性能较好。当HiPIMS频率为1000 Hz时,自腐蚀电位升高到最大-0.39 V(vs.SCE),自腐蚀电流密度降低到最小0.731μA/cm^(2),薄膜耐腐蚀性能最强,腐蚀速率最低。纳米多层结构提升TiZrN/TiN薄纳米多层薄膜的硬度、摩擦磨损和耐腐蚀性能,为薄膜工艺优化提供了试验依据和技术支撑,具有良好的应用前景。 展开更多

关键词 电弧离子镀(AIP) 高功率脉冲磁控溅射技术(hipims) hipims频率 TiZrN/TiN纳米多层膜 硬度 耐蚀性

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N_(2)气流量对Hi PIMS制备SiN_(x)薄膜微观结构和力学性能的影响

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作者 朱永明 张斌 《中国表面工程》 北大核心 2025年第2期245-254,共10页

由于氮化硅(SiN_(x))薄膜具有较高的介电常数、绝缘强度和优异的耐磨性,广泛应用于微电子和光电器件中,作为钝化层、介电层和耐磨涂层。然而如何制备高性能的SiN_(x)薄膜一直是工业界和学术界的研究热点,探究N_(2)气流量对高功率脉冲磁... 由于氮化硅(SiN_(x))薄膜具有较高的介电常数、绝缘强度和优异的耐磨性,广泛应用于微电子和光电器件中,作为钝化层、介电层和耐磨涂层。然而如何制备高性能的SiN_(x)薄膜一直是工业界和学术界的研究热点,探究N_(2)气流量对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)制备SiN_(x)薄膜组织和力学性能的影响,选用硅靶和氮气,采用HiPIMS技术通过改变N_(2)气流量在硅(100)晶片上制备不同组分的SiN_(x)薄膜。利用X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和X射线衍射仪对所制备的薄膜成分、表面形貌及微观结构进行分析,采用纳米压痕仪和微米划痕仪对薄膜的硬度、弹性模量和结合力进行表征,并计算H/E和H^(3)/E^(2)。结果表明:薄膜的致密度和表面粗糙度随N_(2)气流量的增加而增加,制备的薄膜表面均显示出“橘皮状”结构,且薄膜呈现无定形结构。在N_(2)气流量为50 m L/min时,制备的薄膜具有最佳的弹性恢复(43.35%)、硬度(13.3 GPa)、弹性模量(154.1 GPa)和耐磨特性。研究通过计算H/E和H^(3)/E^(2)等参数,进一步量化薄膜的力学性能,为高性能SiN_(x)薄膜的设计和应用提供定量依据。研究成果不仅为利用Hi PIMS技术制备高质量SiN_(x)薄膜提供重要参考,还对提高SiN_(x)薄膜的工业生产水平具有现实意义。 展开更多

关键词 高功率脉冲磁控溅射(hipims) N2气流量 SiN_(x)薄膜 微观组织 力学性能

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直流复合高功率脉冲磁控溅射VAlN-Ag涂层的宽温域摩擦特性研究 被引量：1

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作者 张玉鹏 王振玉 +1 位作者 汪爱英 柯培玲 《摩擦学学报（中英文）》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期368-378,共11页

通过直流磁控溅射(DCMS)复合高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术制备了VAlN/VAlN-Ag复合涂层,调控HiPIMS靶功率控制Ag质量分数变化范围(11.4%、19.8%、24.5%),探究了涂层在25、300和650℃温度下的摩擦学性能.在室温摩擦条件下,3种涂层的摩... 通过直流磁控溅射(DCMS)复合高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术制备了VAlN/VAlN-Ag复合涂层,调控HiPIMS靶功率控制Ag质量分数变化范围(11.4%、19.8%、24.5%),探究了涂层在25、300和650℃温度下的摩擦学性能.在室温摩擦条件下,3种涂层的摩擦系数均较高,当温度升高至300和650℃时,摩擦系数随Ag含量增加而降低,高Ag含量(质量分数24.5%)涂层摩擦系数最低,分别为0.45和0.23.磨损率随温度升高而增加,宽温域环境中,低Ag含量的S1(Ag质量分数为11.4%)涂层具有最优的力学性能和最低的磨损率,使复合涂层在宽温域内表现出良好的摩擦学性能.复合涂层的物相结构、元素价态和化学键在中低温摩擦环境中无明显变化;经650℃摩擦试验后,涂层表面发生摩擦化学反应,V和Ag元素的价态升高,生成层状结构的AgVO_(3)和Ag_(3)VO_(4)高温润滑相,有效降低涂层的摩擦系数.高温摩擦过程中伴随着元素扩散,涂层内部微结构演变成致密的Al_(2)O_(3)层包裹钒酸银润滑相的表层结构,V_(2)O_(5)和NiO这2种物相为主的中间层,以及Ti主导的过渡层结构.高温磨损机制表现为黏着磨损和氧化磨损. 展开更多

关键词 hipims技术 VAlN-Ag复合涂层 宽温域摩擦 润滑 元素扩散

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Cr掺杂对MoN涂层力学及摩擦学性能的影响 被引量：1

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作者 程勇 王振玉 +4 位作者 王振东 毕健浩男 张美琪 柯培玲 汪爱英 《中国表面工程》 CSCD 北大核心 2024年第6期297-310,共14页

优异的力学和摩擦学性能使MoN涂层在箔片空气轴承防护上应用潜力较大,但MoO_(3)在500℃以上环境下的强挥发性严重影响了其服役寿命。Cr元素掺杂在提高MoN涂层抗氧化性能方面优势显著,然而Cr元素掺杂对MoN涂层的力学性能、组织结构和中... 优异的力学和摩擦学性能使MoN涂层在箔片空气轴承防护上应用潜力较大,但MoO_(3)在500℃以上环境下的强挥发性严重影响了其服役寿命。Cr元素掺杂在提高MoN涂层抗氧化性能方面优势显著,然而Cr元素掺杂对MoN涂层的力学性能、组织结构和中高温摩擦学性能的影响尚不明确。使用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)复合直流磁控溅射(DCMS)技术在不同基体表面制备系列不同Cr元素含量的MoCrN涂层,利用SEM、XRD、EDS、纳米压痕设备、维氏压痕、划痕仪、应力仪、拉曼光谱仪和摩擦试验机对涂层的微观结构、物相组成、力学性能与摩擦学性能进行系统研究。结果表明,MoN涂层由单一Mo_(2)N相组成,MoCrN涂层由Mo_(2)N与CrN构成。随Cr元素掺杂含量的增加,Mo_(2)N含量降低及压应力下降,导致涂层硬度与韧性单调降低,结合力先增加后下降。其中,Cr元素掺杂含量为10.4at.%的样品具有最高的结合力,相较于纯MoN涂层提高了29N。摩擦学试验发现,随Cr元素掺杂含量的增加,由于涂层强韧性降低、鳞片状摩擦层的消失以及摩擦产物的变化,室温摩擦因数和磨损率单调增加;当Cr元素掺杂含量为19.9at.%时,因显著提升了MoN涂层抗氧化性能,涂层在550℃下的耐磨性能最佳。研究结果详细对比分析不同Cr元素掺杂含量对MoCrN涂层力学性能及摩擦学性能的作用规律,揭示了相关影响机制,可为提高MoN涂层综合性能提供参考。 展开更多

关键词 MoCrN涂层 高功率脉冲磁控溅射(hipims) 微观组织 力学性能 摩擦学性能

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晶面取向对TiN涂层导电性能的影响研究

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作者 赵蒙 周晖 +4 位作者 何延春 张凯锋 贵宾华 汪科良 蒋钊 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第24期197-205,共9页

目的TiN涂层的晶面择优生长取向对其性能有显著影响,当前TiN涂层晶面取向对其导电性能的影响机理尚未明确。因此,将模拟计算与实验研究相结合,开展晶面取向对涂层导电性能影响的研究。方法采用第一性原理计算研究了晶面取向对TiN表面能... 目的TiN涂层的晶面择优生长取向对其性能有显著影响,当前TiN涂层晶面取向对其导电性能的影响机理尚未明确。因此,将模拟计算与实验研究相结合,开展晶面取向对涂层导电性能影响的研究。方法采用第一性原理计算研究了晶面取向对TiN表面能、能带结构、态密度、电荷布居及自由电子相对浓度的影响。同时,利用HiPIMS技术实现了不同晶面取向TiN涂层的制备。结果经过理论计算,TiN(200)晶面模型具有更高的自由电子相对浓度,主要是因为(200)晶面模型中,Ti—N键对电子的“束缚”更小。接触电阻测试证明,涂层中的(200)晶面生长取向越明显,涂层的ICR值越低。结论经过理论计算与实验验证表明,TiN涂层中的(200)晶面生长取向有利于提升TiN涂层的导电性能,该取向越明显,涂层的ICR值越低。 展开更多

关键词 质子交换膜燃料电池 双极板 TIN涂层 hipims 晶面取向 导电性能

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双极高功率脉冲磁控溅射技术薄膜制备研究进展 被引量：3

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作者 朱祥瑞 韩明月 +2 位作者 冯蓬勃 孙玉强 李刘合 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期10-22,共13页

双极高功率脉冲磁控溅射技术(BP-HiPIMS)在保持靶材粒子高离化率的同时,通过调节“泵出”脉冲电压,控制离子能量和流量,从而改善薄膜的性能,正在得到工业界的广泛关注。在无法施加基体偏压的绝缘基体或薄膜的制备上,BP-HiPIMS拥有更加... 双极高功率脉冲磁控溅射技术(BP-HiPIMS)在保持靶材粒子高离化率的同时,通过调节“泵出”脉冲电压,控制离子能量和流量,从而改善薄膜的性能,正在得到工业界的广泛关注。在无法施加基体偏压的绝缘基体或薄膜的制备上,BP-HiPIMS拥有更加显著的优势,同时基体接地可以克服悬浮基体快速充电的问题,从而有助于沉积离子向下游扩散增能。BP-HiPIMS选择相对较短的正负脉冲间隔时间、负脉冲持续时间以及较高的正脉冲电压幅值,有利于优化薄膜的性能。近年来国内外学者应用BP-HiPIMS技术制备薄膜取得了显著的成果。相对于常规HiPIMS,BP-HiPIMS所制备的铜膜(Cu)、类金刚石碳基薄膜(DLC)、氮化钛薄膜(TiN)、氮化铬薄膜(CrN)等都表现出更加优异的力学性能,而不同工艺下薄膜沉积速率的变化在不同试验中存在分歧,其影响机制有待进一步探索。 展开更多

关键词 hipims BP-hipims 双极脉冲 离子能量 薄膜制备

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